DE102013106895A1 - Light microscopic method for the localization of point objects - Google Patents

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Abstract

Beschrieben ist ein lichtmikroskopisches Verfahren zur Lokalisierung von Punktobjekten (26) in einer Probe (14), bei dem die Probe (14) mittels einer Abbildungsoptik (12) auf einen Detektor (16) abgebildet wird; und die in der Probe (14) enthaltenen Punktobjekte (26) innerhalb des Schärfentiefenbereichs (18) lokalisiert werden, indem auf Grundlage eines Probenbildes, das durch die Abbildung der Probe (14) auf dem Detektor (16) erzeugt wird, laterale x/y-Positionen der Punktobjekte (26) in Richtung senkrecht zur optischen Achse (O) ermittelt werden, wobei der Schärfentiefenbereich (18) in dem Objektraum relativ zur Probe (14) längs der optischen Achse (O) mindestens einmal um einen vorbestimmten axialen z-Verstellweg (∆z) verschoben und bei axial verschobenem Schärfentiefenbereich (18) die Probe (14) erneut auf den Detektor (16) abgebildet und ein weiteres Probenbild erzeugt wird; auf Grundlage des weiteren Probenbildes erneut die lateralen x/y-Positionen der Punktobjekte (26) ermittelt werden; laterale x/y-Positionsabweichungen zwischen den auf Grundlage der verschiedenen Probenbilder ermittelten lateralen x/y-Positionen der jeweils selben Punktobjekte (26) ermittelt werden; und in Abhängigkeit der ermittelten lateralen x/y-Positionsabweichungen eine Korrekturinformation erzeugt wird, an Hand der die lateralen x/y-Positionen der Punktobjekte (26) korrigiert werden.Described is a light microscopic method for localization of point objects (26) in a sample (14), in which the sample (14) by means of imaging optics (12) is imaged onto a detector (16); and locate the point objects (26) contained within the sample (14) within the depth-of-field (18) by generating lateral x / y based on a sample image produced by imaging the sample (14) on the detector (16) Positions of the point objects (26) in the direction perpendicular to the optical axis (O) are determined, wherein the depth of field (18) in the object space relative to the sample (14) along the optical axis (O) at least once by a predetermined axial z-displacement (Δz) shifted and with axially shifted depth of field (18), the sample (14) again imaged on the detector (16) and another sample image is generated; the lateral x / y positions of the point objects (26) are again determined on the basis of the further sample image; determining lateral x / y position deviations between the lateral x / y positions of the respective same point objects (26) determined on the basis of the different sample images; and in dependence on the determined lateral x / y position deviations a correction information is generated, by means of which the lateral x / y positions of the point objects (26) are corrected.

Description

Die Erfindung betrifft ein lichtmikroskopisches Verfahren zur Lokalisierung von Punktobjekten in einer Probe, bei dem die in einem Objektraum angeordnete Probe mittels einer Abbildungsoptik, die in dem Objektraum einen Schärfentiefenbereich vorbestimmter axialer z-Ausdehnung längs ihrer optischen Achse hat, auf einen Detektor abgebildet wird, und die in der Probe enthaltenen Punktobjekte innerhalb des Schärfentiefenbereichs lokalisiert werden, indem auf Grundlage eines Probenbildes, das durch die Abbildung der Probe auf dem Detektor erzeugt wird, laterale x/y-Positionen der Punktobjekte in Richtung senkrecht zur optischen Achse ermittelt werden. The invention relates to a light microscopic method for localizing point objects in a sample, in which the sample arranged in an object space is imaged onto a detector by means of imaging optics having a depth of field of predetermined axial z-dimension along their optical axis in the object space the point objects contained in the sample are located within the depth of field by determining lateral x / y positions of the point objects in the direction perpendicular to the optical axis based on a sample image produced by imaging the sample on the detector.

In jüngerer Vergangenheit wurden lichtmikroskopische Abbildungsverfahren entwickelt, mit denen sich basierend auf einer sequentiellen, stochastischen Lokalisierung von einzelnen Markern, insbesondere Fluoreszenzmolekülen, Probenstrukturen darstellen lassen, die kleiner sind als die beugungsbedingte Auflösungsgrenze klassischer Lichtmikroskope. Solche Verfahren sind beispielsweise beschrieben in WO 2006/127692 A2 ; DE 10 2006 021 317 B3 ; WO 2007/128434 A1 , US 2009/0134342 A1 ; DE 10 2008 024 568 A1 ; WO 2008/091296 A2 ; „Sub-diffraction-limit imaging by stochastic optical reconstruction microscopy (STORM)“, Nature Methods 3, 793–796 (2006), M. J. Rust, M. Bates, X. Zhuang ; „Resolution of Lambda/10 in fluorescence microscopy using fast single molecule photo-switching“, Geisler C. et al, Appl. Phys. A, 88, 223–226 (2007) . Dieser neue Zweig der Mikroskopie wird auch als Lokalisierungsmikroskopie bezeichnet. Die angewandten Verfahren sind in der Literatur z.B. unter den Bezeichnungen (F)PALM ((Fluorescence) Photoactivation Localization Microscopy), PALMIRA (PALM with Independently Running Acquisition), GSD(IM) (Ground State Depletion Individual Molecule Return) Microscopy) oder (F)STORM ((Fluorescence) Stochastic Optical Reconstruction Microscopy) bekannt. More recently, light microscopic imaging techniques have been developed that can be used to represent sample structures that are smaller than the diffraction limit of classical light microscopes based on a sequential, stochastic localization of individual markers, especially fluorescence molecules. Such methods are described, for example, in WO 2006/127692 A2 ; DE 10 2006 021 317 B3 ; WO 2007/128434 A1 . US 2009/0134342 A1 ; DE 10 2008 024 568 A1 ; WO 2008/091296 A2 ; "Stochastic optical reconstruction microscopy (STORM) sub-diffraction-limiting imaging", Nature Methods 3, 793-796 (2006), MJ Rust, M. Bates, X. Zhuang ; "Resolution of lambda / 10 in fluorescence microscopy using fast single molecule photo-switching", Geisler C. et al, Appl. Phys. A, 88, 223-226 (2007) , This new branch of microscopy is also called localization microscopy. The methods used are known in the literature, for example under the designations (F) PALM ((Fluorescence) Photoactivation Localization Microscopy), PALMIRA (PALM with Independently Running Acquisition), GSD (IM) (Ground State Depletion of Individual Molecule Return) Microscopy) or (F ) STORM ((Fluorescence) Stochastic Optical Reconstruction Microscopy).

Den neuen Verfahren ist gemein, dass die abzubildenden Probenstrukturen mit Punktobjekten, sogenannten Markern präpariert werden, die über zwei unterscheidbare Zustände verfügen, nämlich einen „hellen“ Zustand und einen „dunklen“ Zustand. Werden beispielsweise Fluoreszenzfarbstoffe als Marker verwendet, so ist der helle Zustand ein fluoreszenzfähiger Zustand und der dunkle Zustand ein nicht fluoreszenzfähiger Zustand. The new method has in common that the sample structures to be imaged are prepared with point objects, so-called markers, which have two distinguishable states, namely a "bright" state and a "dark" state. For example, when fluorescent dyes are used as markers, the bright state is a fluorescent state and the dark state is a non-fluorescent state.

In bevorzugten Ausführungsformen werden, wie z.B. in der WO 2008/091296 A2 und der WO 2006/127692 A2 , photoschaltbare oder photoaktivierbare Fluoreszenzmoleküle verwendet. Alternativ können, wie z.B. in der DE 10 2006 021 317 B3 , inhärente Dunkelzustände von Standard-Fluoreszenzmolekülen genutzt werden. In preferred embodiments, such as in the WO 2008/091296 A2 and the WO 2006/127692 A2 , photo-switchable or photoactivatable fluorescent molecules. Alternatively, as in the DE 10 2006 021 317 B3 , inherent dark states can be exploited by standard fluorescent molecules.

Zur Abbildung von Probenstrukturen mit einer Auflösung, die höher als die klassische Auflösungsgrenze der Abbildungsoptik ist, wird nun wiederholt eine kleine Teilmenge der Marker in den hellen Zustand überführt. Dabei ist im einfachsten Falle die Dichte der diese aktive Teilmenge bildenden Marker so zu wählen, dass der mittlere Abstand benachbarter Marker im hellen und damit lichtmikroskopisch abbildbaren Zustand größer als die Auflösungsgrenze der Abbildungsoptik ist. Die die aktive Teilmenge bildenden Marker werden auf einem räumlich auflösenden Lichtdetektor, z.B. eine CCD-Kamera, abgebildet, so dass von jedem punktförmigen Marker eine Lichtverteilung in Form eines Lichtflecks erfasst wird, dessen Größe durch die Auflösungsgrenze der Optik bestimmt ist. To image sample structures with a resolution that is higher than the classical resolution limit of the imaging optics, a small subset of the markers is now repeatedly transferred to the bright state. In the simplest case, the density of the markers forming this active subset is to be selected so that the mean distance between adjacent markers in the bright and thus light-microscopically imageable state is greater than the resolution limit of the imaging optics. The markers forming the active subset are formed on a spatially resolving light detector, e.g. a CCD camera, so that a light distribution in the form of a light spot is detected by each punctiform marker whose size is determined by the resolution limit of the optics.

Auf diese Weise wird eine Vielzahl von Rohdaten-Einzelbildern aufgenommen, in denen jeweils eine andere aktive Teilmenge abgebildet ist. In einem Bildauswerteprozess werden dann in jedem Rohdaten-Einzelbild die Schwerpunktpositionen der Lichtverteilungen bestimmt, die die im hellen Zustand befindlichen, punktförmigen Marker darstellen. Die aus den Rohdaten-Einzelbildern ermittelten Schwerpunktpositionen der Lichtverteilungen werden dann in einer Gesamtdarstellung in Form eines Gesamtbild-Datensatzes zusammengetragen. Das durch diese Gesamtdarstellung entstehende hochaufgelöste Gesamtbild spiegelt die Verteilung der Marker wider. In this way, a plurality of raw data frames are recorded, in each of which a different active subset is mapped. In an image evaluation process, the center of gravity positions of the light distributions are then determined in each raw data single image, which represent the punctiform markers located in the bright state. The center of gravity positions of the light distributions determined from the raw data individual images are then compiled in an overall representation in the form of an overall image data set. The high-resolution overall image resulting from this overall representation reflects the distribution of the markers.

Für eine repräsentative Wiedergabe der abzubildenden Probenstruktur müssen ausreichend viele Markersignale detektiert werden. Da jedoch die Anzahl an auswertbaren Markern in der jeweils aktiven Teilmenge limitiert ist, müssen sehr viele Rohdaten-Einzelbilder aufgenommen werden, um die Probenstruktur vollständig abzubilden. Typischerweise liegt die Anzahl an Rohdaten-Einzelbildern in einem Bereich von einigen Zehntausend, wobei dieser Bereich stark variiert, da für komplexe Strukturen weit mehr Bilder aufgenommen werden müssen als für einfachere Strukturen, um die Strukturen auflösen zu können. For a representative reproduction of the sample structure to be imaged, a sufficient number of marker signals must be detected. However, since the number of evaluable markers in the respective active subset is limited, a large number of raw data individual images must be recorded in order to completely map the sample structure. Typically, the number of raw data frames is in the range of several tens of thousands, and this range varies widely, because for complex structures far more images must be taken than for simpler structures to resolve the structures.

Neben der vorstehend beschriebenen lateralen Positionsbestimmung der Marker in der Objektebene (im Folgenden auch als x-y-Ebene bezeichnet) kann auch eine Positionsbestimmung in axialer Richtung (im Folgenden auch als z-Richtung bezeichnet) erfolgen. Mit axialer Richtung ist dabei die Richtung längs der optischen Achse der Abbildungsoptik, also die Hauptausbreitungsrichtung des Lichtes gemeint. In addition to the above-described lateral position determination of the markers in the object plane (also referred to below as the x-y plane), it is also possible to determine the position in the axial direction (also referred to below as the z-direction). With axial direction is meant the direction along the optical axis of the imaging optics, ie the main propagation direction of the light.

Dreidimensionale Lokalisierungen sind aus so genannten „Particle-Tracking“-Experimenten bekannten, wie sie in Kajo et. al., 1994, Biophysical Journal, 67, Holtzer et. al., 2007, Applied Physics Letters, 90 und Toprak et al., 2007, Nano Letters, 7(7) beschrieben sind. Sie wurden auch schon in bildgebenden Verfahren angewandt, die auf dem oben beschriebenen Schalten und Lokalisieren von Einzelmolekülen basieren. Hierzu wird auf Huang et al, 2008, Science, 319 und Juette et al., 2008, Nature Methods, verwiesen. Zum Stand der Technik wird ferner auf Pavani et al., 2009, PNAS, 106 , verwiesen. Three-dimensional localizations are from so-called "Particle tracking" experiments known as in kajo et. al., 1994, Biophysical Journal, 67, Holtzer et. al., 2007, Applied Physics Letters, 90 and Toprak et al., 2007, Nano Letters, 7 (7). They have also been used in imaging techniques based on the switching and localization of single molecules described above. Reference is made to Huang et al, 2008, Science, 319 and Juette et al., 2008, Nature Methods. The prior art is further disclosed in Pavani et al., 2009, PNAS, 106 , referenced.

Eine Lokalisierung eines punktförmigen Objektes in z-Richtung kann grundsätzlich dadurch erfolgen, dass man die Veränderung eines auf der Detektionsfläche der Kamera erfassten Lichtflecks auswertet, die sichtbar wird, wenn sich das Punktobjekt aus der zur Detektionsfläche optisch konjugierten Schärfen- oder Fokalebene herausbewegt. Dabei ist im Folgenden unter einem Punktobjekt ein Objekt zu verstehen, dessen Abmessungen kleiner als die beugungsbedingte Auflösungsgrenze der Abbildungsoptik, insbesondere des Detektionsobjektivs sind. In diesem Fall bildet das Detektionsobjektiv ein solches Objekt in Form einer dreidimensionalen Fokuslichtverteilung in den Bildraum ab. Die Fokuslichtverteilung erzeugt auf der Detektionsfläche der Kamera einen Lichtfleck, der durch die sogenannte „Point-Spread-Function“, also Punktabbildungsfunktion oder kurz PSF, charakterisiert ist. Wird nun das Punktobjekt in z-Richtung durch den Fokus, d.h. senkrecht zur Schärfenebene bewegt, so ändern sich Größe und Form der PSF. Analysiert man das dem erfassten Lichtfleck entsprechende Detektionssignal im Hinblick auf Größe und Form der PSF, so kann man dadurch Rückschlüsse auf die tatsächliche z-Position des Objekts erhalten. A localization of a point-shaped object in the z-direction can in principle be carried out by evaluating the change in a detected on the detection surface of the camera light spot, which is visible when the point object moves out of the detection surface to the optically conjugate focus or focal plane. In the following, a point object is to be understood as an object whose dimensions are smaller than the diffraction-related resolution limit of the imaging optics, in particular of the detection objective. In this case, the detection lens images such an object into the image space in the form of a three-dimensional focus light distribution. The focus light distribution generates on the detection surface of the camera, a light spot, which is characterized by the so-called "point spread function", ie point mapping function or short PSF. Now, if the point object in the z-direction is focused by the focus, i. moved perpendicular to the focus plane, so change the size and shape of the PSF. By analyzing the detection signal corresponding to the detected light spot with respect to the size and shape of the PSF, it is possible to obtain conclusions about the actual z position of the object.

Befindet sich das Punktobjekt zu weit von der Schärfenebene entfernt, so ist der auf der Detektionsfläche der Kamera erzeugte Lichtfleck so verschwommen, dass das entsprechende Messsignal innerhalb des üblichen Messrauschens nicht mehr wahrnehmbar ist. Es gibt also in dem Objektraum in z-Richtung einen Bereich um die zentrale Fokal- oder Schärfenebene, innerhalb dessen ein Punktobjekt auf der Detektionsfläche einen Lichtfleck erzeugt, der noch scharf genug ist, um zur Lokalisierung des Punktobjektes in z-Richtung ausgewertet werden zu können. Dieser die Schärfenebene enthaltende Bereich in z-Richtung wird im Folgenden als „Schärfentiefenbereich“ bezeichnet. If the point object is located too far away from the focus plane, the light spot produced on the detection surface of the camera is so blurred that the corresponding measurement signal can no longer be perceived within the usual measurement noise. Thus, in the object space in the z direction, there is an area around the central focal or focus plane within which a point object on the detection surface generates a light spot which is still sharp enough to be able to be evaluated for locating the point object in the z direction , This area containing the sharpness plane in the z direction will be referred to as "depth of field" hereinafter.

Bei einer dreidimensionalen Lokalisierung besteht allerdings das grundsätzliche Problem, dass die von einem Punktobjekt herrührende PSF bezüglich der Detektionsfläche symmetrisch ist. Dies bedeutet, dass sich die PSF zwar ändert, wenn das Punktobjekt aus der Schärfenebene heraus bewegt wird, so dass sich der Abstand des Punktobjektes zur Schärfenebene bestimmen lässt. Jedoch ist die Änderung der PSF symmetrisch zu beiden Seiten der Schärfenebene, so dass sich nicht entscheiden lässt, auf welcher Seite der Schärfenebene sich das Punktobjekt innerhalb des Schärfentiefenbereichs befindet. In the case of a three-dimensional localization, however, there is the fundamental problem that the PSF originating from a point object is symmetrical with respect to the detection surface. This means that the PSF changes when the point object is moved out of the focus plane so that the distance of the point object to the focus plane can be determined. However, the change of the PSF is symmetrical to both sides of the focus plane, so that it can not be decided on which side of the focus plane the point object is within the depth of field.

Es sind verschiedene Verfahren bekannt, wie mit dem vorstehend erläuterten Problem umgegangen werden kann. Beispiele sind Verfahren, die in Fachkreisen als „Astigmatismusverfahren“ (die oben genannten Dokumente Kajo et al., Holtzer et al. und Huang et al.), „Bi-Plane-Verfahren“ (vgl. Toprak et al. und Juette et al.) und „Doppelhelixverfahren“ (vgl. Pavani et al.) bezeichnet werden. Diesen Verfahren ist gemein, dass zur Lokalisierung des Punktobjektes in z-Richtung der auf einem Detektor erzeugte Lichtfleck zur Bestimmung einer Kenngröße analysiert wird und dieser Kenngröße eine z-Position des Punktobjektes zugeordnet wird. Diese Zuordnung erfolgt anhand einer im Vorfeld bestimmten Zuordnungsinformation, welche die Kenngröße mit der z-Position des Punktobjektes in Beziehung setzt. Als Kenngröße kommt beispielsweise wie in dem Astigmatismusverfahren eine Größe in Betracht, welche die Form des Lichtflecks charakterisiert, oder, wie im Falle des Bi-Plane-Verfahrens eine Größe, welche die Ausdehnungen zweier Lichtflecke miteinander in Beziehung setzt, die von ein- und demselben Lichtfleck herrühren und auf Detektionsflächen erzeugt werden, deren zugeordnete Schärfenebenen im Objektraum in z-Richtung zueinander versetzt sind. There are various methods known how to deal with the above-described problem. Examples are methods known in the art as "Astigmatism Methods" (the above-referenced Kajo et al., Holtzer et al., And Huang et al.), "Bi-Plane" methods (see Toprak et al., And Juette et al.), And "Double helical method" (see Pavani et al.) be designated. This method has in common that for localizing the point object in the z direction of the light spot generated on a detector is analyzed to determine a characteristic and this characteristic is assigned a z-position of the point object. This assignment takes place on the basis of an assignment information determined in advance, which relates the parameter to the z position of the point object. As a parameter, for example, as in the astigmatism method, a size which characterizes the shape of the light spot or, as in the case of the bi-plane method, a size which relates the extents of two light spots to each other, comes from one and the same Resulting light spot and are generated on detection surfaces whose associated focus planes are offset in the object space in the z-direction to each other.

In der Lokalisierungsmikroskopie, bei der Auflösungen von weit unter 100 nm, teilweise sogar bis in den Bereich weniger nm erzielt werden, stellen nun optische Abbildungsfehler, die zwangsläufig in jeder Abbildungsoptik auftreten, ein erhebliches Problem dar. Während in der klassischen, beugungsbegrenzten Mikroskopie, in der im Objektraum gemessene Auflösungen etwa im Bereich von 250 nm erreicht werden, die Abbildungsfehler durch exakte Linsenfertigung oder zusätzliche Korrekturelemente hinreichend minimiert werden können, ist dies bisher in der Lokalisierungsmikroskopie nicht ohne weiteres möglich. Dort ist die Auflösung so hoch, dass die verbleibenden Abbildungsfehler von erheblicher Relevanz sind. Beispiele für solche Abbildungsfehler sind chromatische Aberrationen, sphärische Aberrationen oder laterale Bildfeldverzerrungen, d.h. Abbildungsfehler, die zu einer Verzerrung der PSF in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse führen. Ein Beispiel für eine laterale Bildfeldverzerrung ist die Koma. In localization microscopy, where resolutions of far below 100 nm, and sometimes even down to a few nm are achieved, optical aberrations, which inevitably occur in any imaging optics, are a significant problem. During classical diffraction-limited microscopy, in the resolutions measured in the object space approximately in the range of 250 nm can be achieved, the aberrations can be sufficiently minimized by exact lens production or additional correction elements, this is not readily possible in the localization microscopy. There, the resolution is so high that the remaining aberrations are of considerable relevance. Examples of such aberrations are chromatic aberrations, spherical aberrations or lateral field distortions, i. Aberrations that lead to distortion of the PSF in a plane perpendicular to the optical axis. An example of lateral field distortion is coma.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein lichtmikroskopisches Verfahren zur Lokalisierung von Punktobjekten eingangs genannter Art so weiterzubilden, dass laterale Bildfeldverzerrungen mit möglichst geringem technischen Aufwand zuverlässig korrigiert werden. The object of the invention is to develop a light microscopic method for the localization of point objects of the type mentioned so that lateral field distortions are reliably corrected with the least possible technical effort.

Die Erfindung löst diese Aufgabe gemäß Anspruch 1 dadurch, dass der Schärfentiefenbereich, innerhalb dessen die Punktobjekte lokalisiert werden, in dem Objektraum relativ zur Probe längs der optischen Achse mindestens einmal um einen vorbestimmten axialen z-Verstellweg, der kleiner als die axiale Ausdehnung des Schärfentiefenbereichs ist, verschoben und bei axial verschobenem Schärfentiefenbereich die Probe mittels der Abbildungsoptik erneut auf den Detektor abgebildet und ein weiteres Probenbild erzeugt wird; auf Grundlage dieses weiteren Probenbildes erneut die lateralen x/y-Positionen der Punktobjekte ermittelt werden; laterale x/y-Positionsabweichungen zwischen den auf Grundlage der verschiedenen Probenbilder ermittelten lateralen x/y-Positionen der jeweils selben Punktobjekte ermittelt werden; und in Abhängigkeit der ermittelten lateralen x/y-Positionsabweichungen eine Korrekturinformation erzeugt wird, anhand der die lateralen x/y-Positionen der Punktobjekte, die auf Grundlage mindestens eines der verschiedenen Probenbilder ermittelt worden sind, korrigiert werden. The invention achieves this object according to claim 1, characterized in that the depth of field within which the point objects are located in the object space relative to the sample along the optical axis at least once by a predetermined axial z-displacement, which is smaller than the axial extent of the depth of field , shifted and with axially shifted depth of field, the sample imaged by the imaging optics again on the detector and another sample image is generated; on the basis of this further sample image, the lateral x / y positions of the point objects are again determined; determining lateral x / y positional deviations between the lateral x / y positions of the respective same point objects determined on the basis of the different sample images; and correction information is generated in dependence on the determined lateral x / y position deviations, on the basis of which the lateral x / y positions of the point objects, which have been determined on the basis of at least one of the different sample images, are corrected.

Im Unterschied zu herkömmlichen Lösungen, in denen versucht wird, die Abbildungsfehler allein durch apparative Maßnahmen, insbesondere durch die möglichst fehlerfreie Fertigung der in der Abbildungsoptik verwendeten optischen Elemente, zu korrigieren, wählt die Erfindung einen Weg, bei dem die Korrektur der Abbildungsfehler aus der Analyse der lokalisierten Positionen selbst erfolgt. Auch wird keine zusätzliche Kalibrierung oder eine eigens zur Bestimmung von optischen Fehlern vorgesehene Messung benötigt, wodurch der technische Aufwand erheblich reduziert wird. In contrast to conventional solutions, in which attempts are made to correct the aberrations solely by means of apparatus, in particular by the most error-free production of the optical elements used in the imaging optics, the invention selects a way in which the correction of aberrations from the analysis the localized positions themselves. Also, no additional calibration or a measurement intended specifically for the determination of optical errors is required, as a result of which the technical complexity is considerably reduced.

Die erfindungsgemäße Lösung sieht eine Verschiebung des Schärfentiefenbereichs längs der optischen Achse der Abbildungsoptik derart vor, dass es zwischen dem ursprünglichen Schärfentiefenbereich und dem verschobenen Schärfentiefenbereich in dem Objektraum eine gewisse Überlappung längs der optischen Achse gibt. Diese Überlappung wird dadurch erreicht, dass der axiale z-Verstellweg, um den der Schärfentiefenbereich längs der optischen Achse bewegt wird, kleiner als die axiale z-Ausdehnung des Schärfentiefenbereichs ist. Dabei liegt der z-Verstellweg beispielsweise im Bereich von 5 bis 90%, 10 bis 80%, 15 bis 70%, 20 bis 60% oder 25 bis 50% der axialen z-Ausdehnung des Schärfentiefenbereichs. Es versteht sich von selbst, dass diese Wertebereiche nur beispielhaft zu verstehen sind. The solution according to the invention provides for a shift of the depth of field of focus along the optical axis of the imaging optics such that there is a certain overlap along the optical axis between the original depth of field and the shifted depth of field in the object space. This overlap is achieved by making the axial z-displacement, by which the depth of field is moved along the optical axis, smaller than the axial z-dimension of the depth of field. The z-adjustment path is, for example, in the range of 5 to 90%, 10 to 80%, 15 to 70%, 20 to 60% or 25 to 50% of the axial z-dimension of the depth of field. It goes without saying that these ranges of values are only to be understood as examples.

Die erfindungsgemäße Verschiebung des Schärfentiefenbereichs um den axialen z-Verstellweg, der kleiner ist als die axiale Ausdehnung des Schärfentiefenbereichs, ist demnach so zu verstehen, dass die beiden betrachteten Schärfentiefenbereiche, nämlich der ursprüngliche und der verschobene Schärfentiefenbereich, längs der optischen Achse die vorstehend genannte Überlappung aufweisen. Dies bedeutet, dass die Erfindung auch eine Schrittfolge von Verschiebungen in dem Schärfentiefenbereich abdeckt, bei der in einem einzelnen Schritt der Schärfentiefenbereich um einen Verstellweg verschoben wird, der größer als die Ausdehnung des Schärfentiefenbereichs ist, sofern die Schrittfolge insgesamt dazu führt, dass zwischen den betrachteten Schärfentiefenbereichen die letztlich gewünschte axiale Überlappung realisiert ist. The displacement of the depth of field according to the invention about the axial z-displacement, which is smaller than the axial extent of the depth of field, is thus to be understood that the two depth of field considered, namely the original and the shifted depth of field, along the optical axis, the above-mentioned overlap exhibit. This means that the invention also covers a sequence of shifts in the depth of field in which, in a single step, the depth of field is shifted by an adjustment path that is greater than the extension of the depth of field, provided that the sequence of steps as a whole results in that between the considered Depth of field areas the ultimately desired axial overlap is realized.

Die Erfindung sieht vor, von einer gegebenen dreidimensionalen Struktur von Punktobjekten nicht nur ein einziges Probenbild aufzunehmen, sondern mit einem längs der optischen Achse verschobenen Schärfentiefenbereich mindestens ein weiteres Probenbild, so dass ein- und dieselben Punktobjekte in verschiedenen z-Positionen des Schärfentiefenbereichs abgebildet werden. The invention proposes to record not only a single sample image of a given three-dimensional structure of point objects, but at least one further sample image with a depth of field displaced along the optical axis so that one and the same point objects are imaged in different z-positions of the depth of field.

Durch die erfindungsgemäß zu korrigierende laterale Bildfeldverzerrung weisen die genannten Punktobjekte in den beiden Probenbildern in Abhängigkeit ihrer jeweiligen z-Position Positionsabweichungen in ihren lateralen x/y-Positionen auf. Aus diesen lateralen x/y-Positionsabweichungen lässt sich nun eine Korrekturinformation erzeugen, die ein Maß für die laterale Bildfeldverzerrung ist. Diese Korrekturinformation kann dann genutzt werden, um die mit dem Abbildungsfehler behafteten lateralen x/y-Positionen der Punktobjekte zu korrigieren. Due to the lateral field distortion to be corrected according to the invention, the point objects mentioned in the two sample images have position deviations in their lateral x / y positions as a function of their respective z-position. From these lateral x / y position deviations, correction information can now be generated which is a measure of the lateral field distortion. This correction information can then be used to correct the aberrations of the lateral x / y positions of the point objects.

Wie schon eingangs erwähnt, ist unter dem erfindungsgemäßen Schärfentiefenbereich in dem Objektraum ein Bereich in z-Richtung um die zentrale Fokal- oder Schärfenebene zu verstehen, innerhalb dessen ein Punktobjekt auf dem Detektor einen Lichtfleck erzeugt, der noch scharf genug ist, um zur Lokalisierung des Punktobjektes ausgewertet werden zu können. Dabei ist es nicht erforderlich, diesen maximal möglichen Schärfentiefenbereich voll auszuschöpfen. So kann es sinnvoll sein, in Abhängigkeit der gewünschten Lokalisierungsgenauigkeit den Schärfentiefenbereich bewusst zu verkleinern und somit schon recht verschwommene, aber an sich noch auswertbare Lichtflecken von der Auswertung auszunehmen. Zur Bestimmung der lateralen x/y-Positionen müssen die auf dem Detektor erzeugten Lichtflecken nicht notwendigerweise räumlich strikt voneinander getrennt sein. Über geeignete algorithmische Verfahren, wie sie beispielsweise aus der Literatur als multi-fit-Verfahren oder maximum-likelihood-Verfahren bekannt sind, lassen sich auch überlappende Lichtverteilungen dahingehend analysieren, dass die Positionen der Punktobjekte bestimmt werden können. As already mentioned, the depth of field according to the invention in the object space means an area in the z-direction about the central focal or focal plane within which a point object on the detector generates a light spot which is still sharp enough to localize the object Point object can be evaluated. It is not necessary to fully exploit this maximum possible depth of field. Thus, it may be useful, depending on the desired localization accuracy to deliberately reduce the depth of field and thus to exclude quite blurred, but still be evaluated light spots from the evaluation. To determine the lateral x / y positions, the light spots generated on the detector need not necessarily be strictly separated from each other spatially. By means of suitable algorithmic methods, such as are known from the literature as multi-fit methods or maximum-likelihood methods, it is also possible to analyze overlapping light distributions in such a way that the positions of the point objects can be determined.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht nur geeignet, diejenigen Abbildungsfehler zu korrigieren, die durch die optischen Elemente der Abbildungsoptik verursacht werden. Vielmehr ermöglicht es die Erfindung auch, optische Störungen zu korrigieren, die durch die Probe selbst verursacht werden. Solche optische Störungen sind häufig vom Ort, an dem sie in der Probe auftreten, oder von der Umbebungstemperatur abhängig. Sie sind somit mit herkömmlichen Verfahren, in denen etwa optische Korrekturelemente mit erheblichem technischen Aufwand geeignet angesteuert werden, nur schwer kontrollierbar. Dies gilt umso mehr als diese herkömmlichen Verfahren in der Regel eine iterative Korrektur der Abbildungsfehler vorsehen, bei der die Probe wiederholt aufgenommen wird und sich deshalb nicht verändern darf. Demgegenüber ändert sich in der Lokalisierungsmikroskopie das von dem Detektor erfasste Signal durch die blinkenden Einzelmoleküle ständig, so dass in der Regel kein Probenbild exakt dem anderen gleicht. The inventive method is not only suitable for correcting aberrations caused by the optical elements of the Imaging optics are caused. Rather, the invention also makes it possible to correct for optical disturbances caused by the sample itself. Such optical perturbations are often dependent on the location where they occur in the sample or on the ambient temperature. They are thus difficult to control with conventional methods in which, for example, optical correction elements are appropriately controlled with considerable technical outlay. This is all the more so since these conventional methods usually provide an iterative correction of aberrations in which the sample is recorded repeatedly and must therefore not change. In contrast, in localization microscopy, the signal detected by the detector constantly changes due to the flashing individual molecules, so that as a rule no sample image is exactly the same as the other one.

Unter der lateralen x/y-Position eines Punktobjektes ist im Folgenden eine Position zu verstehen, die etwa unter Bezugnahme auf ein kartesisches Koordinatensystem, bei dem die z-Achse parallel zur optischen Achse der Abbildungsoptik liegt, in Richtung der x-Achse und/oder in Richtung der y-Achse gemessen wird, wobei die x-Achse und die y-Achse senkrecht zu der y-Achse angeordnet sind. The lateral x / y position of a point object is to be understood below as meaning a position in the direction of the x axis and / or approximately with reference to a Cartesian coordinate system in which the z axis is parallel to the optical axis of the imaging optics is measured in the direction of the y-axis, wherein the x-axis and the y-axis are arranged perpendicular to the y-axis.

Vorzugsweise wird innerhalb des Schärfentiefenbereichs mindestens eine senkrecht zur optischen Achse liegende Referenzebene definiert, die bei Verschieben des Schärfentiefenbereichs ortsfest relativ zu dem Schärfentiefenbereich bleibt. Eines der Probenbilder wird dabei als Referenzbild festgelegt, wobei auf Grundlage dieses Referenzbildes eine Vergleichsstruktur definiert wird, die mindestens eines derjenigen Punktobjekte repräsentiert, die bei Aufnahme des Referenzbildes in der Referenzebene des Schärfentiefenbereichs angeordnet sind. Die Vergleichsstruktur wird dann in dem mindestens einen anderen Probenbild identifiziert. Auf Grundlage der verschiedenen Probenbilder wird jeweils die laterale x/y-Position der Vergleichsstruktur ermittelt. Anschließend wird die laterale x/y-Positionsabweichung zwischen den auf Grundlage der verschiedenen Probenbilder ermittelten lateralen x/y-Positionen der Referenzstruktur bestimmt. Schließlich wird die Korrekturinformation in Abhängigkeit der für die Vergleichsstruktur ermittelten lateralen x/y-Positionsabweichung erzeugt. Preferably, at least one reference plane perpendicular to the optical axis is defined within the depth of field of the field, which remains stationary relative to the depth of field when the depth of field is moved. One of the sample images is defined as a reference image, based on this reference image, a comparison structure is defined, which represents at least one of those point objects that are arranged in the reference plane of the depth of focus when recording the reference image. The comparison structure is then identified in the at least one other sample image. Based on the different sample images, the lateral x / y position of the comparison structure is determined in each case. Subsequently, the lateral x / y positional deviation between the lateral x / y positions of the reference structure determined on the basis of the different sample images is determined. Finally, the correction information is generated as a function of the lateral x / y position deviation determined for the comparison structure.

Die Referenzebene ist beispielsweise die zentrale Fokal- oder Schärfenebene innerhalb des Schärfentiefenbereichs. Diese wird mit Verschieben des Schärfentiefenbereichs längs der optischen Achse bewegt und tastet so gleichsam den Objektraum ab. Anhand eines der Probenbilder, das als Referenzbild festgelegt wird, wird eine Vergleichsstruktur definiert, die auch in den anderen Probenbildern vorhanden ist, dort jedoch in unterschiedlichen z-Positionen und damit – bedingt durch die laterale Bildfeldverzerrung – auch in anderen x/y-Positionen innerhalb des zugehörigen Schärfentiefenbereichs. Mit Hilfe der Vergleichsstruktur lassen sich so die lateralen x/y-Positionsabweichungen in Abhängigkeit der z-Position zuverlässig ermitteln. The reference plane is, for example, the central focal or focus plane within the depth of field. The latter is moved along the optical axis as the depth of field moves, thus scanning the object space as it were. On the basis of one of the sample images, which is defined as a reference image, a comparison structure is defined, which is also present in the other sample images, but there in different z-positions and thus - due to the lateral field distortion - in other x / y positions within of the associated depth of field. With the aid of the comparison structure, the lateral x / y position deviations can thus be reliably determined as a function of the z position.

Vorzugsweise wird der Schärfentiefenbereich in mehreren Schritten axial verschoben. In jedem dieser Schritte wird die auf Grundlage des zugehörigen Probenbildes ermittelte laterale x/y-Positionsabweichung der Vergleichsstruktur gegenüber der lateralen x/y-Position der auf Grundlage des Referenzbildes ermittelten Vergleichsstruktur ermittelt. Als Korrekturinformation wird eine Zuordnungsfunktion erzeugt, deren Funktionswerte jeweils die in dem jeweiligen Schritt ermittelte laterale x/y-Positionsabweichung der zugehörigen Vergleichsstruktur abhängig von deren axialer z-Position längs der optischen Achse angeben. Die Zuordnungsfunktion stellt eine Korrekturvorschrift dar, die in Abhängigkeit des Abstandes eines Punktobjektes von der Referenzebene eine Korrektur der lateralen x/y-Position vorsieht, die genau die durch die laterale Bildfeldverzerrung entstandene Fehllokalisierung dieses Punktobjektes ausgleicht. Preferably, the depth of field is axially displaced in several steps. In each of these steps, the lateral x / y positional deviation of the comparison structure determined on the basis of the associated sample image is determined relative to the lateral x / y position of the comparison structure determined on the basis of the reference image. As correction information, an assignment function is generated, the function values of which in each case indicate the lateral x / y position deviation of the associated comparison structure determined in the respective step as a function of its axial z position along the optical axis. The assignment function represents a correction rule which, depending on the distance of a point object from the reference plane, provides for a correction of the lateral x / y position, which exactly compensates for the mislocalization of this point object caused by the lateral field distortion.

Werte der Zuordnungsfunktion, die zwischen den durch die schrittweise Verschiebung des Schärfentiefenbereichs ermittelten Funktionswerten liegen, können beispielsweise durch Interpolation bestimmt werden. Auf diese Weise kann eine stetige Zuordnungsfunktion ermittelt werden, obgleich durch das schrittweise Verschieben des Schärfentiefenbereichs nur einige diskret ermittelte Funktionswerte vorliegen. Values of the assignment function that lie between the function values determined by the stepwise shift of the depth of field can be determined, for example, by interpolation. In this way, a continuous assignment function can be determined, although only a few discreetly determined function values are present due to the stepwise shifting of the depth of field.

In einer möglichen Ausführungsform werden die lateralen x/y-Positionen der Punktobjekte durch Bildverarbeitung direkt in dem zugehörigen Probenbild korrigiert. Dies hat den Vorteil, dass dem Benutzer die korrigierten Positionen der Punktobjekte unmittelbar angezeigt werden, ohne den Umweg über die Korrektur zuvor gespeicherter Positionen und ein auf Grundlage der korrigierten Positionen neu erzeugtes Probenbild gehen zu müssen. In one possible embodiment, the lateral x / y positions of the point objects are corrected by image processing directly in the associated sample image. This has the advantage that the corrected positions of the point objects are immediately displayed to the user without having to go through the correction of previously stored positions and a sample image newly generated on the basis of the corrected positions.

Vorzugsweise wird die Vergleichsstruktur in dem mindestens einen anderen Probenbild in Abhängigkeit der auf dem Detektor erfassten Bildhelligkeit identifiziert, d.h. unter Berücksichtigung der Gesamtzahl der auf dem Detektor erzeugten Lichtflecken, die zu dieser Struktur beitragen. Diese Ausführungsform ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die bei verschobenem Schärfentiefenbereich ermittelten x/y-Positionen nicht nur zur Korrektur zuvor mit Abbildungsfehlern behafteter Positionen genutzt werden, sondern zugleich zur Erzeugung eines hochaufgelösten Gesamtlokalisierungsbildes herangezogen werden. Dadurch können störende Helligkeitsunterschiede in dem Gesamtlokalisierungsbild vermieden werden. Preferably, the comparison structure is identified in the at least one other sample image as a function of the image brightness detected on the detector, ie taking into account the total number of light spots generated on the detector that contribute to this structure. This embodiment is particularly advantageous if the x / y positions determined with the depth of field shifted are not only used for correcting positions that are previously subject to aberrations, but at the same time are used to generate a high-resolution overall localization image. This can be annoying Brightness differences in the overall localization image can be avoided.

Die Summe der einzelnen axialen z-Verstellwege ist im Wesentlichen gleich der axilen z-Ausdehnung des Schärfentiefenbereichs. Es ist jedoch ebenso möglich, den Schärfentiefenbereich in z-Richtung insgesamt um eine Strecke zu verstellen, die größer als die Ausdehnung des Schärfentiefenbereichs ist. Setzt man in diesem Fall die in einzelnen Schritten erzeugten Probenbilder nach der Korrektur der Positionen der Punktobjekte zu einem Gesamtlokalisierungsbild zusammen, so deckt dieses in z-Richtung einen Bereich ab, der größer als der Schärfentiefenbereich ist. Somit lassen sich insbesondere komplexe dreidimensionale Strukturen hochaufgelöst abbilden. The sum of the individual axial z-displacement paths is substantially equal to the axile z-extension of the depth of field. However, it is also possible to adjust the depth of field in the z-direction as a whole by a distance which is greater than the extent of the depth of field. If, in this case, the sample images generated in individual steps are combined to form an overall localization image after the positions of the point objects have been corrected, this covers an area in the z direction which is greater than the depth of field. Thus, in particular, complex three-dimensional structures can be imaged in high-resolution.

Vorzugsweise wird der axiale z-Verstellweg mittels eines Sensors erfasst. Dadurch ist sichergestellt, dass der axiale z-Verstellweg, der in die Korrektur der lateralen x/y-Positionen der Punktobjekte eingeht, stets genau bekannt ist. Preferably, the axial z-displacement is detected by means of a sensor. This ensures that the axial z-displacement, which is included in the correction of the lateral x / y positions of the point objects, is always known exactly.

Das Verschieben des Schärfentiefenbereichs relativ zur Probe kann dadurch erfolgen, dass entweder die Probe relativ zu der Abbildungsoptik oder aber die Abbildungsoptik relativ zu der Probe längs der optischen Achse bewegt wird. Die Erfindung ist hierauf jedoch nicht beschränkt. So ist es beispielsweise ebenso möglich, eine deformierbare Linse, einen deformierbaren Spiegel, einen räumlichen Lichtmodulator oder dergleichen zu verwenden, um den Schärfentiefenbereich in dem Objektraum längs der optischen Achse der Abbildungsoptik zu verschieben. Im Prinzip ist es möglich, den Schärfentiefenbereich auf beliebige Art und Weise zu verschieben. The shifting of the depth of field relative to the sample can take place in that either the sample is moved relative to the imaging optics or the imaging optics are moved relative to the sample along the optical axis. However, the invention is not limited thereto. For example, it is also possible to use a deformable lens, a deformable mirror, a spatial light modulator or the like to shift the depth of field in the object space along the optical axis of the imaging optics. In principle, it is possible to shift the depth of field in any manner.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die z-Position des jeweiligen Punktobjektes längs der optischen Achse ermittelt, indem eine Kenngröße eines das Punktobjekt in dem jeweiligen Probenbild darstellenden Lichtflecks ermittelt und dieser Kenngröße die z-Position anhand einer vorbestimmten Zuordnungsinformation zugeordnet wird. Als Kenngröße kommt beispielsweise eine Größe in Betracht, die wie in dem eingangs genannten Astigmatismus-Verfahren die Form des das Punktobjekt darstellenden Lichtflecks charakterisiert. Alternativ kann auch eine Kenngröße genutzt werden, die, wie im Falle des bekannten Bi-Plane-Verfahrens, die Ausdehnungen zweier Lichtflecke miteinander in Beziehung setzt, die von ein- und demselben Lichtfleck herrühren und auf Detektionsflecken erzeugt werden, deren zugeordnete Schärfenebenen im Objektraum in z-Richtung zueinander versetzt sind. In a particularly preferred embodiment, the z-position of the respective point object is determined along the optical axis by determining a characteristic of a spot representing the point object in the respective sample image and assigning the z-position to this characteristic on the basis of predetermined mapping information. By way of example, a variable is taken into consideration which, as in the aforementioned astigmatism method, characterizes the shape of the light spot representing the point object. Alternatively, it is also possible to use a characteristic which, as in the case of the known bi-plane method, relates the extents of two light spots which originate from the same light spot and are generated on detection spots whose associated sharpness planes are present in the object space z-direction are offset from each other.

Vorzugsweise werden die in dem Probenbild ermittelten z-Positionen der Punktobjekte mit den in dem weiteren Probenbild in Abhängigkeit des vorbestimmten axialen z-Verstellwegs ermittelten z-Positionen derselben Punktobjekte verglichen. In Abhängigkeit dieses Vergleichs wird dann eine z-Korrekturinformation erzeugt, anhand der die in Abhängigkeit der Zuordnungsinformation ermittelten z-Positionen der Punktobjekte korrigiert werden. Preferably, the z-positions of the point objects determined in the sample image are compared with the z-positions of the same point objects determined in the further sample image as a function of the predetermined axial z-displacement. As a function of this comparison, a z-correction information is then generated on the basis of which the z-positions of the point objects determined as a function of the assignment information are corrected.

Diese Ausgestaltung umgeht das Problem, dass sich die im Vorfeld der eigentlichen lichtmikroskopischen Messung bestimmte Zuordnungsinformation, die eine Zuordnung zwischen der in der Messung ermittelten Kenngröße und der axialen z-Position des Punktobjektes ermöglicht, häufig so ungenau ist, dass eine präzise Bestimmung der z-Position schwierig ist. Anhand der z-Korrekturinformation kann in diesem Fall die (von vornherein ungenaue) Zuordnungsinformation korrigiert werden. This refinement avoids the problem that the assignment information determined in advance of the actual light-microscopic measurement, which makes possible an association between the parameter determined in the measurement and the axial z-position of the point object, is often so inaccurate that a precise determination of the z-position. Position is difficult. On the basis of the z-correction information, the (inaccurate) assignment information can be corrected in this case.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine lichtmikroskopische Einrichung zur Lokalisierung von Punktobjekten gemäß Anspruch 14 vorgesehen. According to another aspect of the invention, a light microscopic device for locating point objects according to claim 14 is provided.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Darin zeigen: The invention will be explained in more detail below with reference to FIGS. Show:

1 eine schematische Darstellung einer lichtmikroskopischen Einrichtung nach der Erfindung; 1 a schematic representation of a light microscope device according to the invention;

2 zwei schematische Schnittdarstellungen, von denen eine Darstellung eine verzerrungsfreie PSF und die andere Darstellung eine durch Koma verzerrte PSF im Objektraum zeigt; 2 two schematic cross-sectional views, one of which shows a distortion-free PSF and the other view shows a coma distorted PSF in the object space;

3 zwei schematische Darstellungen, die eine dreidimensionale, röhrenartige Struktur ohne Koma zeigen; 3 two schematic representations showing a three-dimensional, tubular structure without coma;

4 zwei schematische Darstellungen entsprechend 3, welche die röhrenartigen Struktur mit Koma zeigen; 4 two schematic representations accordingly 3 showing the tubular structure with coma;

5 eine schematische Darstellung, die eine X-förmige Struktur zusammen mit einem Schärfentiefenbereich und deren Bild zeigt; 5 a schematic representation showing an X-shaped structure together with a depth of field and their image;

6 eine schematische Darstellung, welche die X-förmige Struktur und deren Bild in einem ersten Schritt eines beispielhaften Verfahrens nach der Erfindung zeigt; 6 a schematic representation showing the X-shaped structure and its image in a first step of an exemplary method according to the invention;

7 eine schematische Darstellung, welche die X-förmige Struktur und deren Bild in einem zweiten Schritt des Verfahrens zeigt; 7 a schematic representation showing the X-shaped structure and its image in a second step of the method;

8 eine schematische Darstellung, welche die X-förmige Struktur und deren Bild in einem dritten Schritt des Verfahrens zeigt; 8th a schematic representation showing the X-shaped structure and its image in a third step of the method;

9 eine schematische Darstellung, welche die X-förmige Struktur und deren Bild in einem vierten Schritt des Verfahrens zeigt; 9 a schematic diagram showing the X-shaped structure and its image in a fourth step of the method;

10 eine schematische Darstellung, welche die X-förmige Struktur und deren Bild in einem fünften Schritt des Verfahrens zeigt; 10 a schematic view showing the X-shaped structure and its image in a fifth step of the method;

11 einen Graphen, der laterale x-Positionen einer Vergleichsstruktur in den in den 6 bis 10 dargestellten Schritten zeigt; und 11 a graph showing the lateral x-positions of a comparison structure in the in the 6 to 10 shows steps shown; and

12 einen Graphen, der eine erfindungsgemäße Zuordnungsfunktion zeigt, deren Funktionswerte laterale x-Positionsabweichungen in Abhängigkeit der z-Position angeben. 12 a graph showing an assignment function according to the invention, the function values of which indicate lateral x-position deviations as a function of the z-position.

1 zeigt in einer rein schematischen Darstellung eine lichtmikroskopische Einrichtung 10 mit einer Abbildungsoptik 12, die eine Probe 14 auf einen Detektor 16 abbildet. Die Probe 14 ist auf einem Probenträger 28 angeordnet. 1 shows in a purely schematic representation of a light microscope device 10 with an imaging optics 12 that a sample 14 on a detector 16 maps. The sample 14 is on a sample carrier 28 arranged.

Die Abbildungsoptik 12 hat einen Schärfentiefenbereich 18, der längs einer optischen Achse O eine axiale Ausdehnung t aufweist. Im Folgenden soll davon ausgegangen werden, dass die optische Achse O parallel zu einer Achse z eines kartesischen Koordinatensystems liegt, deren weitere Achsen x und y senkrecht zur optischen Achse O angeordnet sind. The imaging optics 12 has a depth of field 18 which has an axial extent t along an optical axis O. In the following it should be assumed that the optical axis O is parallel to an axis z of a Cartesian coordinate system whose further axes x and y are arranged perpendicular to the optical axis O.

Die Einrichung 10 umfasst ferner eine Steuereinheit 20, die den Gesamtbetrieb der Einrichung 10 steuert. Insbesondere verfügt die Steuereinheit 20 über Rechenmittel, welche die zur Lokalisierung erforderlichen Berechnungen und Auswertungen vornimmt. Die Steuereinheitt 80 steuert ferner einen Piezoaktor 22 an, mit dem sich die Abbildungsoptik 12 längs der optischen Achse O bewegen lässt, um den Schärfentiefenbereich 78 längs der optischen Achse O, d.h. in z-Richtung zu verschieben. Ein mit der Steuereinheit 20 gekoppelter Sensor 24 erfasst den z-Verstellweg, um den die Abbildungsoptik 12 und damit der Schärfentiefenbereich innerhalb des Objektraums verschoben werden. The furnishing 10 further comprises a control unit 20 that the overall operation of the facility 10 controls. In particular, the control unit has 20 via computing means, which performs the necessary for localization calculations and evaluations. The control unit 80 also controls a piezo actuator 22 on, with which the imaging optics 12 along the optical axis O to the depth of field 78 along the optical axis O, ie to move in the z-direction. One with the control unit 20 coupled sensor 24 detects the z-displacement to the imaging optics 12 and thus the depth-of-field area is moved within the object space.

Die Probe 14 enthält eine Vielzahl von Punktobjekten 26, die durch fluoreszierende Marker gebildet sind, die an den abzubildenden Strukturen haften. Während der mikroskopischen Aufnahme werden die Punktobjekte 26 einzeln als Lichtflecke auf den Detektor 16 abgebildet. Die so erzeugten Lichtflecke werden zur Lokalisierung der Punktobjekte 26 in der Steuereinheit 20 ausgewertet. The sample 14 contains a variety of point objects 26 , which are formed by fluorescent markers that adhere to the structures to be imaged. During the micrograph, the point objects become 26 individually as light spots on the detector 16 displayed. The light spots thus generated become the localization of the point objects 26 in the control unit 20 evaluated.

Die Einrichtung 10 nach 1 dient dazu, die in der Probe 14 enthaltenen Punktobjekte 26 in dem Objektraum 28 zu lokalisieren. Hierzu ermittelt die Steuereinheit 20 der Einrichtung 10 sowohl die z-Position des jeweiligen Punktobjektes längs der optischen Achse O als auch die laterale x/y-Position in einer senkrecht zur optischen Achse O liegenden Ebene. The device 10 to 1 is used in the sample 14 contained point objects 26 in the object space 28 to locate. The control unit determines this 20 the device 10 both the z position of the respective point object along the optical axis O and the lateral x / y position in a plane perpendicular to the optical axis O plane.

Im folgenden wird erläutert, wie eine laterale Bildfeldverzerrung, wie sie beispielsweise durch eine Koma verursacht wird, erfindungsgemäß korrigiert wird. Dabei soll zunächst unter Bezugnahme auf die 2 bis 4 veranschaulicht werden, wie sich eine laterale Bildverzerrung auf die Genauigkeit auswirkt, mit der Punktobjekte 26 in lateraler Richtung lokalisiert werden. In the following it will be explained how a lateral field distortion, as caused for example by a coma, is corrected according to the invention. It should first with reference to the 2 to 4 to illustrate how lateral image distortion affects accuracy with point objects 26 be localized in the lateral direction.

In 2 ist veranschaulicht, wie die Koma zu einer Verzerrung der dem jeweiligen Punktobjekt zugeordneten PSF im dreidimensionalen Raum führt. Dabei ist in dem linken Teilbild der 2 zunächst der Idealfall einer fehlerfreien PSF 30 dargestellt, die radialsymmetrisch längs ihrer in 2 mit z‘ bezeichneten Längsachse ist. Die Längsachse z‘ der PSF 30 soll dabei parallel zur optischen Achse O und damit zur z-Achse des in 2 dargestellten Koordinatensystems liegen. In 2 is illustrated how the coma leads to a distortion of the respective point object associated PSF in three-dimensional space. It is in the left part of the image 2 First, the ideal case of a faultless PSF 30 which are radially symmetrical along their in 2 with z 'designated longitudinal axis. The longitudinal axis z 'of the PSF 30 should parallel to the optical axis O and thus to the z-axis of in 2 are shown coordinate system.

Die Koma führt nun zu einer Verzerrung der PSF 30, durch welche die Radialsymmetrie der PSF 30 gebrochen wird, wie in dem rechten Teilbild der 2 dargestellt ist. Diese Brechunung der Radialsymmetrie führt zu einer lateralen Verschiebung des Schwerpunktes der PSF 30 in der x-y-Ebene. Wie der 2 unmittelbar zu entnehmen ist, ist die laterale Schwerpunktsverschiebung abhängig von der z-Position. The coma now leads to a distortion of the PSF 30 through which the radial symmetry of the PSF 30 is broken, as in the right part of the picture 2 is shown. This breaking of the radial symmetry leads to a lateral shift of the center of gravity of the PSF 30 in the xy plane. Again 2 can be seen directly, the lateral center of gravity shift is dependent on the z-position.

Die Koma führt also dazu, dass die Schwerpunkte der den einzelnen Punktobjekten zugeordneten PSFs an verschiedenen z-Positionen nicht mehr in der gleichen x/y-Position liegen. Einen entsprechenden Effekt erhält man, wenn man anstelle der Koma eine Verkippung der PSF im Raum betrachtet. The coma leads to the fact that the centers of gravity of the PSFs assigned to the individual point objects are no longer in the same x / y position at different z positions. A corresponding effect is obtained by considering a tilting of the PSF in space instead of the coma.

Liegen nun also Abbildungsfehler vor, die den vorstehend genannten Effekt der Schwerpunktverschiebung zur Folge haben, so führt dies im hochaufgelösten Probenbild zu Bildfehlern, wie ein Vergleich der 3 und 4 zeigt. 3 zeigt dabei das Bild einer dreidimensionalen, röhrenartigen Struktur 32, die sich längs der z-Achse erstreckt. Die Struktur 32 soll beispielsweise mit einem geeigneten Farbstoff gefärbt sein, dessen Moleküle in der eingangs erläuterten Weise lokalisiert werden. Aus den ermittelten und gespeicherten Positionsinformationen wird dann ein hochaufgelöstes Bild zusammengesetzt. Dies ist in dem rechten Teilbild nach 3 für eine beispielhafte zwiedimensionale Projektion aller im dreidimensionalen Raum lokalisierten Punktobjekte veranschaulicht. In dieser zweidimensionalen Projektion ist die betrachtete Struktur durch einen Kreis dargestellt. If there are aberrations that result in the above-mentioned effect of the center of gravity shift, this leads to image errors in the high-resolution sample image, such as a comparison of the 3 and 4 shows. 3 shows the picture of a three-dimensional, tube-like structure 32 extending along the z-axis. The structure 32 should be colored, for example, with a suitable dye whose molecules are localized in the manner explained above. From the determined and stored position information, a high-resolution image is then assembled. This is in the right part of the picture 3 for an exemplary two-dimensional projection of all point objects located in three-dimensional space. In this two-dimensional projection, the considered structure is represented by a circle.

Während 3 den fehlerfreien Fall zeigt, veranschaulicht 4 die Auswirkung einer lateralen Bildfeldverzerrung. Demnach führt die laterale Bildfeldverzerrung dazu, dass Molekülpositionen, die zwar in unterschiedlichen z-Positionen, aber an sich in der gleichen x/y-Position liegen, fälschlicherweise an verschiedene x/y-Positionen gesetzt werden, wie das linke Teilbild der 4 zeigt. Somit ist in der zweidimensionalen Projektion eine Abweichung von der ursprünglichen Kreisform zu sehen, wie das rechte Teilbild der 4 zeigt. While 3 shows the error-free case illustrated 4 the effect of lateral field distortion. Thus, lateral field distortion results in molecular positions that are located in different z-positions but in the same x / y position being erroneously set to different x / y positions, like the left-hand image of the 4 shows. Thus, in the two - dimensional projection, a deviation from the original circular shape can be seen, as the right partial image of the 4 shows.

Unter Bezugnahme auf die 5 bis 12 wird im Folgenden beispielhaft erläutert, wie die vorstehend beschriebene laterale Bildfeldverzerrung erfindungsgemäß korrigiert wird. With reference to the 5 to 12 is explained below by way of example how the above-described lateral field distortion is corrected according to the invention.

5 zeigt in dem linken Figurenteil eine X-förmige Struktur 32, die sich beispielhaft in der x-z-Ebene erstreckt. Die X-förmige Struktur 32 soll mit einem geeigneten Farbstoff gefärbt sein, welche die zu lokalisierenden Punktobjekte 26 (vgl. 1) bilden. Zur Lokalisierung dieser Farbstoffe werden deren Positionen innerhalb des in 5 als rechteckige Fläche dargestellten Schärfentiefenbereichs 18 ermittelt. Das daraus entstehende, hochaufgelöste Bild ist in dem rechten Teil der 5 dargestellt. Somit zeigt der rechte Figurenteil den Bildraum, der zu dem in dem linken Figurenteil dargestellten Objektraum optisch konjugiert ist. 5 shows in the left part of the figure an X-shaped structure 32 which extends by way of example in the xz plane. The X-shaped structure 32 should be colored with a suitable dye, which is the point objects to be located 26 (see. 1 ) form. To localize these dyes, their positions within the in 5 depth of field represented as a rectangular area 18 determined. The resulting, high - resolution image is in the right part of the 5 shown. Thus, the right figure part shows the image space optically conjugate to the object space shown in the left figure part.

Im Folgenden wird der Einfachheit halber angenommen, dass die Abbildungsoptik 12 eine Bildfeldverzerrung allein in x-Richtung verursacht. Das resultierende, in x-Richtung verzerrte Bild ist mit durchgezogenen Linien dargestellt. Demgegenüber ist das Bild, das bei einer idealen Abbildung ohne Bildfeldverzerrung entstünde, gestrichelt dargestellt. In the following it is assumed for the sake of simplicity that the imaging optics 12 caused a field distortion in the x-direction alone. The resulting image distorted in the x-direction is shown by solid lines. In contrast, the image that would result in an ideal image without image field distortion, shown in phantom.

In 5 ist ferner die zentrale Schärfen- oder Fokalebene des Schärfentiefenbereichs 18 mit 34 bezeichnet. Dabei ist darauf hinzuweisen, dass sowohl in dem linken als auch in dem rechten Teil der 5 (und auch in den weiteren 5 bis 10) die gleichen Bezugszeichen angegeben sind, obgleich der linke Figurenteil den Objektraum und der rechte Figurenteil den hierzu optisch konjugierten Bildraum darstellt. In 5 is also the central focus or focal plane of the depth of field 18 With 34 designated. It should be noted that in both the left and the right part of the 5 (and also in the others 5 to 10 ) are given the same reference numerals, although the left figure part represents the object space and the right figure part represents the image space optically conjugate thereto.

In den 6 bis 10 ist gezeigt, wie der Schärfentiefenbereich 18 in mehreren Schritten jeweils um einen z-Verstellweg ∆z in dem Objektraum längs der optischen Achse O verschoben wird, um die erfindungsgemäße Korrektur der lateralen x/y-Positionen der Punktobjekte 26 vorzunehmen. In the 6 to 10 is shown as the depth of field 18 in each case by a z-displacement .DELTA.z in the object space along the optical axis O is shifted in several steps to the inventive correction of the lateral x / y positions of the point objects 26 make.

Das in den 6 bis 10 dargestellte Verfahren beruht auf folgender Überlegung. In Folge der lateralen Bildfeldverzerrung in x-Richtung werden Punktobjekte, die innerhalb des Schärfentiefenbereichs 18 zwar in der gleichen x-Position, jedoch in unterschiedlichen z-Positionen liegen, in dem durch die Abbildungsoptik 12 erzeugten Bild in unterschiedlichen x-Positionen dargestellt. Jedoch ist es möglich, eine z-Position innerhalb des Schärfentiefenbereichs 18 zu definieren, bei der die x-Positionszuordnung zwischen Objektraum und Bildraum definitionsgemäß korrekt ist. Diese z-Position innerhalb des Schärfentiefenbereichs 34 bildet somit eine Referenzposition. Die x-y-Ebene, die sich im Objektraum an dieser z-Position befindet, definiert dementsprechend eine Referenzebene. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die zentrale Schärfenebene 34 des Schärfentiefenbereichs 18 als eine solche Referenzebene herangezogen. Die in den 6 bis 10 gezeigte Schrittfolge hat nun zum Ziel, eine Zuordnungsfunktion als Korrekturinformation zu erzeugen, die in Abhängigkeit des Abstandes eines Punktobjektes von der Referenzebene 34 eine Korrektur der x-Position vorsieht, die gerade die durch die laterale Bildfeldverzerrung entstandene Fehllokalisierung in x-Richtung ausgleicht. That in the 6 to 10 The method illustrated is based on the following consideration. As a result of the lateral field distortion in the x-direction, point objects that are within the depth of field 18 Although in the same x-position, but lie in different z-positions, in which by the imaging optics 12 generated image displayed in different x-positions. However, it is possible to have a z position within the depth of field 18 to define, in which the x-position assignment between object space and image space is by definition correct. This z-position within the depth of field 34 thus forms a reference position. The xy plane, which is located in the object space at this z position, accordingly defines a reference plane. In the present embodiment, the central focus plane becomes 34 the depth of field 18 used as such a reference plane. The in the 6 to 10 The sequence of steps shown now has the goal of generating an assignment function as correction information which depends on the distance of a point object from the reference plane 34 provides a correction of the x-position that just compensates for the mislocalization in the x-direction caused by the lateral field distortion.

Die Zuordnungsfunktion wird in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel dadurch erzeugt, dass nicht nur ein Bild der X-förmigen Struktur 32, sondern insgesamt fünf Bilder mit jeweils um ∆z verschobenem Schärfentiefenbereich 18 erzeugt werden. The mapping function is generated in the present embodiment by not just an image of the X-shaped structure 32 , but a total of five images, each with .DELTA.z shifted depth of field 18 be generated.

Das beispielhafte Korrekturverfahren beginnt in Schritt 1 nach 6, in dem sich die als Referenzebene fungierende Schärfenebene 34 des Schärfentiefenbereichs 18 innerhalb des Objektraums längs der optischen Achse O in der Position z1 befindet. Der rechte Teil der 6 zeigt das aus dieser Anordnung resultierende hochaufgelöste Bild. The exemplary correction procedure begins in step 1 6 in which the focus plane acting as the reference plane 34 the depth of field 18 is located within the object space along the optical axis O in the position z1. The right part of the 6 shows the high-resolution image resulting from this arrangement.

Anschließend wird in Schritt 2 nach 7 die Abbildungsoptik 12 und damit deren Schärfentiefenbereich 18 um den bekannten z-Verstellweg ∆z (= z2 – z1) längs der optischen Achse verschoben, so dass die als Referenzebene dienende Schärfenebene 34 in die Position z2 gelangt. Wiederum wird in dieser Anordnung ein hochaufgelöstes Bild erzeugt, wobei die in z-Richtung lokalisierten Positionen Subsequently, in step 2 7 the imaging optics 12 and thus their depth of field 18 shifted by the known z-displacement Δz (= z 2 - z 1 ) along the optical axis, so that the reference plane serving as a reference plane 34 enters the position z2. Again, in this arrangement, a high resolution image is created with the positions located in the z direction

entsprechend um den Betrag ∆z korrigiert werden, um das resultierende Bild im Vergleich zu dem in dem vorhergenden Schritt 1 erzeugten Bild nicht um ∆z zu verschieben. In dem so entstandenen Bild ist die X-förmige Struktur 32 für alle z-Positionen ausser z2 in z-Richtung verzerrt dargestellt ist, wie wiederum anhand der gestrichelt dargestellten Idealstruktur zu erkennen ist. Wie der Vergleich der 6 und 7 zeigt, ändert sich die Verzerrung in dem hochaufgelösten Bild mit dem Verschieben des Schärfentiefenbereichs 18, da die X-förmige Struktur ihre Lage innerhalb des Schärfentiefenbereichs 34 ändert. are corrected by the amount Δz so as not to shift the resultant image by Δz as compared with the image formed in the previous step 1. In the resulting image is the X-shaped structure 32 is shown distorted for all z positions except z2 in the z-direction, as can be seen again by the ideal structure shown in dashed lines. How the comparison of 6 and 7 shows, the distortion in the high-resolution image changes with the shift of the depth of field 18 because the X-shaped structure is located within the depth of field 34 changes.

Wie in den 8 bis 10 gezeigt, wird anschließend in weiteren Schritten 3, 4 und 5 der Schärfentiefenbereich 18 sukzessive jeweils um den vorbestimmten z-Verstellweg ∆z längs der optischen Achse O verschoben. Daduch tastet die Referenzebene 34 gleichsam die X-förmige Struktur 32 in dem Objektraum längs der optischen Achse O ab. As in the 8th to 10 is shown, then in further steps 3, 4 and 5, the depth of field 18 successively each shifted by the predetermined z-displacement .DELTA.z along the optical axis O. That's what the reference plane feels 34 as it were the X-shaped structure 32 in the object space along the optical axis O from.

Nach der Erzeugung der fünf hochaufgelösten Bilder wird beispielsweise der Teil der X-förmigen Struktur 32, der sich in Schritt 3 in der Referenzebene 34 befindet, als Vergleichsstruktur gewählt. Diese Vergleichsstruktur wird anschließend auch in den anderen, in den Schritten 1, 2, 4 und 5 erzeugten Bildern identifiziert. Dann wird die laterale x-Position der Vergleichsstruktur auf Grundlage der einzelnen, in den verschiedenen Schritten erzeugten Bilder ermittelt. Da sich die Vergleichsstruktur bei der Aufnahme der einzelnen Bilder relativ zu dem Schärfentiefenbereich 18 in verschiedenen z-Positionen befunden hat, ergeben sich in Folge der Bildfeldverzerrung in x-Richtung von Bild zu Bild unterschiedliche x-Positionen. Diese sind in dem Graphen nach 11 für die einzelnen Schritte 1 bis 5 dargestellt. For example, after the generation of the five high-resolution images, the part of the X-shaped structure becomes 32 in step 3 in the reference plane 34 is selected as comparison structure. This comparison structure is then also identified in the other images generated in steps 1, 2, 4 and 5. Then, the lateral x-position of the comparison structure is determined based on the individual images generated in the various steps. Since the comparison structure in the recording of the individual images relative to the depth of field 18 in different z-positions, different x-positions result from image to image as a result of the image field distortion in the x-direction. These are in the graph after 11 for the individual steps 1 to 5 shown.

Die gewünschte Zuordnungsfunktion erhält man schließlich, indem man die in den Schritten 1, 2, 4 und 5 ermittelten lateralen x-Positionsabweichungen der Vergleichsstruktur gegenüber der in Schritt 3 ermittelten x-Position der Vergleichsstruktur gegen die zugehörigen z-Positionen aufträgt. Dies ist in dem Graphen nach 12 dargestellt. Die den Schritten 1 bis 5 zugeordneten fünf Funktionswerte der Zuordnungsfunktion können dann als Stützstellen genutzt werden, um z.B. im Wege einer Interpolation Zwischenwerte zu erzeugen, um schließlich eine stetige Zuordnungsfunktion zu erhalten. Mit einer solchen Zuordnungsfunktion können die lateralen Positionsabweichungen für alle z-Positionen angegeben werden, um eine verzerrungsfreies, hochaufgelöstes Bild zu erzeugen. The desired assignment function is finally obtained by plotting the lateral x-position deviations of the comparison structure determined in steps 1, 2, 4 and 5 against the x-position of the comparison structure determined in step 3 against the associated z-positions. This is in the graph after 12 shown. The five function values of the assignment function assigned to steps 1 to 5 can then be used as interpolation points in order, for example, to generate intermediate values by way of interpolation in order finally to obtain a continuous assignment function. With such an assignment function, the lateral position deviations for all z positions can be specified to produce a distortion-free, high-resolution image.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

10 10
Lichtmikroskopische Einrichtung Light microscopic device
12 12
Abbildungsoptik imaging optics
14 14
Probe sample
16 16
Detektor detector
18 18
Schärfentiefenbereich Depth of field
20 20
Steuereinheit control unit
22 22
Verstelleinheit adjustment
24 24
Sensor sensor
26 26
Punktobjekte point objects
28 28
Probenträger sample carrier
30 30
PSF PSF
32 32
röhrenartige Struktur tubular structure
32 32
X-förmige Struktur X-shaped structure
34 34
Referenzebene reference plane

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • WO 2006/127692 A2 [0002, 0004] WO 2006/127692 A2 [0002, 0004]
  • DE 102006021317 B3 [0002, 0004] DE 102006021317 B3 [0002, 0004]
  • WO 2007/128434 A1 [0002] WO 2007/128434 A1 [0002]
  • US 2009/0134342 A1 [0002] US 2009/0134342 A1 [0002]
  • DE 102008024568 A1 [0002] DE 102008024568 A1 [0002]
  • WO 2008/091296 A2 [0002, 0004] WO 2008/091296 A2 [0002, 0004]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • „Sub-diffraction-limit imaging by stochastic optical reconstruction microscopy (STORM)“, Nature Methods 3, 793–796 (2006), M. J. Rust, M. Bates, X. Zhuang [0002] "Sub-diffraction-limiting imaging by stochastic optical reconstruction microscopy (STORM)", Nature Methods 3, 793-796 (2006), MJ Rust, M. Bates, X. Zhuang [0002]
  • „Resolution of Lambda/10 in fluorescence microscopy using fast single molecule photo-switching“, Geisler C. et al, Appl. Phys. A, 88, 223–226 (2007) [0002] "Resolution of lambda / 10 in fluorescence microscopy using fast single molecule photo-switching", Geisler C. et al, Appl. Phys. A, 88, 223-226 (2007) [0002]
  • „Particle-Tracking“-Experimenten bekannten, wie sie in Kajo et. al., 1994, Biophysical Journal, 67, Holtzer et. al., 2007, Applied Physics Letters, 90 und Toprak et al., 2007, Nano Letters, 7(7) beschrieben sind. Sie wurden auch schon in bildgebenden Verfahren angewandt, die auf dem oben beschriebenen Schalten und Lokalisieren von Einzelmolekülen basieren. Hierzu wird auf Huang et al, 2008, Science, 319 und Juette et al., 2008, Nature Methods, verwiesen. Zum Stand der Technik wird ferner auf Pavani et al., 2009, PNAS, 106 [0009] Particle-tracking experiments were known as described in Kajo et. al., 1994, Biophysical Journal, 67, Holtzer et. al., 2007, Applied Physics Letters, 90 and Toprak et al., 2007, Nano Letters, 7 (7). They have also been used in imaging techniques based on the switching and localization of single molecules described above. Reference is made to Huang et al, 2008, Science, 319 and Juette et al., 2008, Nature Methods. The prior art is further described in Pavani et al., 2009, PNAS, 106 [0009]
  • „Astigmatismusverfahren“ (die oben genannten Dokumente Kajo et al., Holtzer et al. und Huang et al.), „Bi-Plane-Verfahren“ (vgl. Toprak et al. und Juette et al.) und „Doppelhelixverfahren“ (vgl. Pavani et al.) [0013] "Astigmatism Methods" (the above-referenced Kajo et al., Holtzer et al., And Huang et al.), "Bi-Plane" methods (see Toprak et al., And Juette et al.), And "Double helical method" (see Pavani et al.) [0013]

Claims (15)

Lichtmikroskopisches Verfahren zur Lokalisierung von Punktobjekten (26) in einer Probe (14), bei dem die in einem Objektraum angeordnete Probe (14) mittels einer Abbildungsoptik (12), die in dem Objektraum einen Schärfentiefenbereich (18) vorbestimmter axialer z-Ausdehnung (t) längs ihrer optischen Achse (O) hat, auf einen Detektor (16) abgebildet wird; und die in der Probe (14) enthaltenen Punktobjekte (26) innerhalb des Schärfentiefenbereichs (18) lokalisiert werden, indem auf Grundlage eines Probenbildes, das durch die Abbildung der Probe (14) auf dem Detektor (16) erzeugt wird, laterale x/y-Positionen der Punktobjekte (26) in Richtung senkrecht zur optischen Achse (O) ermittelt werden; dadurch gekennzeichnet, dass der Schärfentiefenbereich (18), innerhalb dessen die Punktobjekte (26) lokalisiert werden, in dem Objektraum relativ zur Probe (14) längs der optischen Achse (O) mindestens einmal um einen vorbestimmten axialen z-Verstellweg (∆z), der kleiner als die axiale Ausdehnung (t) des Schärfentiefenbereichs (18) ist, verschoben und bei axial verschobenem Schärfentiefenbereich (18) die Probe (14) mittels der Abbildungsoptik (12) erneut auf den Detektor (16) abgebildet und ein weiteres Probenbild erzeugt wird; auf Grundlage dieses weiteren Probenbildes erneut die lateralen x/y-Positionen der Punktobjekte (26) ermittelt werden; laterale x/y-Positionsabweichungen zwischen den auf Grundlage der verschiedenen Probenbilder ermittelten lateralen x/y-Positionen der jeweils selben Punktobjekte (26) ermittelt werden; und in Abhängigkeit der ermittelten lateralen x/y-Positionsabweichungen eine Korrekturinformation erzeugt wird, an Hand der die lateralen x/y-Positionen der Punktobjekte (26), die auf Grundlage mindestens eines der verschiedenen Probenbilder ermittelten worden sind, korrigiert werden. Light microscopic method for the localization of point objects ( 26 ) in a sample ( 14 ), in which the sample arranged in an object space ( 14 ) by means of an imaging optics ( 12 ), which in the object space has a depth of field ( 18 ) has predetermined axial z-dimension (t) along its optical axis (O), to a detector ( 16 ) is mapped; and those in the sample ( 14 ) contained point objects ( 26 ) within the depth of field ( 18 ) can be localized on the basis of a sample image obtained by imaging the sample ( 14 ) on the detector ( 16 ), lateral x / y positions of the point objects ( 26 ) are determined in the direction perpendicular to the optical axis (O); characterized in that the depth of field ( 18 ) within which the point objects ( 26 ) in the object space relative to the sample ( 14 ) along the optical axis (O) at least once by a predetermined axial z-displacement (Δz) smaller than the axial extent (t) of the depth-of-field ( 18 ) is shifted, and at axially shifted depth of field ( 18 ) the sample ( 14 ) by means of the imaging optics ( 12 ) again on the detector ( 16 ) and another sample image is generated; based on this further sample image again the lateral x / y positions of the point objects ( 26 ) be determined; lateral x / y position deviations between the lateral x / y positions of the same point objects determined on the basis of the different sample images ( 26 ) be determined; and in dependence on the determined lateral x / y position deviations a correction information is generated, on the basis of which the lateral x / y positions of the point objects ( 26 ) corrected based on at least one of the different sample images. Lichtmikroskopisches Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Schärfentiefenbereichs (18) mindestens eine senkrecht zur optischen Achse (O) liegende Referenzebene (34) definiert wird, die bei Verschieben des Schärfentiefenbereichs (18) ortsfest relativ zu dem Schärfentiefenbereich (18) bleibt; eines der Probenbilder als Referenzbild festgelegt und auf Grundlage des Referenzbildes eine Vergleichsstruktur definiert wird, die mindestens eines derjenigen Punktobjekte (26) repräsentiert, die bei Aufnahme des Referenzbildes in der Referenzebene (34) des Schärfentiefenbereichs (18) angeordnet sind; die Vergleichsstruktur in dem mindestens einen anderen Probenbild identifiziert wird; auf Grundlage der verschiedenen Probenbilder jeweils die laterale x/y-Position der Vergleichsstruktur ermittelt wird; die laterale x/y-Positionsabweichung zwischen den auf Grundlage der verschiedenen Probenbilder ermittelten lateralen x/y-Positionen der Referenzstruktur bestimmt wird; und die Korrekturinformation in Abhängigkeit der für die Vergleichsstruktur ermittelten lateralen x/y-Positionsabweichung erzeugt wird. Light microscopic method according to claim 1, characterized in that within the depth of field ( 18 ) at least one perpendicular to the optical axis (O) lying reference plane ( 34 ) defined when moving the depth of field ( 18 ) stationary relative to the depth of field ( 18 ) remains; one of the sample images is defined as the reference image, and based on the reference image, a comparison structure is defined which comprises at least one of those point objects ( 26 ) which, when the reference image is recorded in the reference plane ( 34 ) of the depth of field ( 18 ) are arranged; the comparison structure is identified in the at least one other sample image; the lateral x / y position of the comparison structure is determined in each case on the basis of the different sample images; the lateral x / y positional deviation between the lateral x / y positions of the reference structure determined on the basis of the different sample images is determined; and the correction information is generated as a function of the lateral x / y position deviation determined for the comparison structure. Lichtmikroskopisches Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schärfentiefenbereich (18) in mehreren Schritten axial verschoben wird, in jedem dieser Schritte die auf Grundlage des zugehörigen Probenbildes ermittelte laterale x/y-Positionsabweichung der Vergleichsstruktur gegenüber der lateralen x/y-Position der auf Grundlage des Referenzbildes ermittelten Vergleichsstruktur ermittelt wird, und als Korrekturinformation eine Zuordnungsfunktion erzeugt wird, deren Funktionswerte jeweils die in dem jeweiligen Schritt ermittelte laterale x/y-Positionsabweichung der zugehörigen Vergleichsstruktur abhängig von deren axialer z-Position längs der optischen Achse (O) angeben. Light microscopic method according to claim 2, characterized in that the depth of field ( 18 ) is axially displaced in several steps, in each of these steps the determined based on the associated sample image lateral x / y positional deviation of the comparison structure with respect to the lateral x / y position of the determined based on the reference image comparison structure is determined, and as correction information an assignment function whose functional values in each case specify the lateral x / y positional deviation of the associated comparison structure determined in the respective step as a function of its axial z-position along the optical axis (O). Lichtmikroskopisches Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Werte der Zuordnungsfunktion, die zwischen den durch die schrittweise Verschiebung des Schärfentiefenbereichs (18) ermittelten Funktionswerten liegen, durch Interpolation bestimmt werden. A light microscopic method according to claim 3, characterized in that values of the assignment function which are between those obtained by the stepwise shifting of the depth of field ( 18 ) determined function values are determined by interpolation. Lichtmikroskopisches Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die lateralen x/y-Positionen der Punktobjekte (26) durch Bildverarbeitung direkt in dem zugehörigen Probenbild korrigiert werden. Light microscopic method according to claim 3 or 4, characterized in that the lateral x / y positions of the point objects ( 26 ) are corrected by image processing directly in the associated sample image. Lichtmikroskopisches Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die lateralen x/y-Positionen der Punktobjekte (26) in einem aus dem zugehörigen Probenbild gewonnenen Datensatz korrigiert werden und auf Grundlage dieses korrigierten Datensatzes ein korrigiertes Probenbild erzeugt wird. Light microscopic method according to claim 3 or 4, characterized in that the lateral x / y positions of the point objects ( 26 ) are corrected in a data record obtained from the associated sample image and a corrected sample image is generated on the basis of this corrected data set. Lichtmikroskopisches Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichsstruktur in dem mindestens einen anderen Probenbild in Abhängigkeit der auf dem Detektor (16) erfassten Bildhelligkeit identifiziert wird. Light microscopic method according to one of claims 2 to 6, characterized in that the comparison structure in the at least one other sample image as a function of the on the detector ( 16 ) detected image brightness is identified. Lichtmikroskopisches Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die lateralen x/y-Positionsabweichungen nach einem Korrelationsverfahren ermittelt werden. Light microscopic method according to one of the preceding claims, characterized in that the lateral x / y position deviations are determined by a correlation method. Lichtmikroskopisches Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der einzelnen axialen z-Verstellwege (∆z) im Wesentlichen gleich der axialen z-Ausdehnung (t) des Schärfentiefenbereichs (18) ist. Optical microscopy method according to one of the preceding claims, characterized in that the sum of the individual axial z-displacement paths (Δz) substantially equal to the axial z-dimension (t) of the depth of field ( 18 ). Lichtmikroskopisches Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der axiale z-Verstellweg (∆z) mittels eines Sensors (24) erfasst wird. Light microscopic method according to one of the preceding claims, characterized in that the axial z-displacement path (Δz) by means of a sensor ( 24 ) is detected. Lichtmikroskopisches Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schärfentiefenbereich (18) in dem Objektraum relativ zur Probe (14) längs der optischen Achse (O) um den axialen z-Verstellweg (∆z) verschoben wird, indem die Probe (14) relativ zu der Abbildungsoptik (12) oder die Abbildungsoptik (12) relativ zu der Probe (14) längs der optischen Achse (O) verschoben wird. Light microscopic method according to one of the preceding claims, characterized in that the depth of field ( 18 ) in the object space relative to the sample ( 14 ) is displaced along the optical axis (O) about the axial z-displacement (Δz) by moving the sample ( 14 ) relative to the imaging optics ( 12 ) or the imaging optics ( 12 ) relative to the sample ( 14 ) is displaced along the optical axis (O). Lichtmikroskopisches Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die z-Position des jeweiligen Punktobjektes (26) längs der optischen Achse (O) ermittelt wird, indem eine Kenngröße eines das Punktobjekt (26) in dem jeweiligen Probenbild darstellenden Lichtflecks ermittelt und dieser Kenngröße die z-Position an Hand einer vorbestimmten Zuordnungsinformation zugeordnet wird. Light microscopic method according to one of the preceding claims, characterized in that the z-position of the respective point object ( 26 ) along the optical axis (O) is determined by a characteristic of the point object ( 26 ) is determined in the respective sample image representing light spot and this characteristic is assigned the z-position on the basis of a predetermined assignment information. Lichtmikroskopisches Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Probenbild ermittelten z-Positionen der Punktobjekte (26) mit den in dem weiteren Probenbild in Abhängigkeit des vorbestimmten axialen z-Verstellwegs (∆z) ermittelten z-Positionen derselben Punktobjekte (26) verglichen werden; und in Abhängigkeit dieses Vergleichs eine z-Korrekturinformation erzeugt wird, an Hand der die in Abhängigkeit der Zuordnungsinformation ermittelten z-Positionen der Punktobjekte (26) korrigiert werden. Light microscopic method according to claim 12, characterized in that the z-positions of the point objects (z) determined in the sample image ( 26 ) with the z-positions of the same point objects determined in the further sample image as a function of the predetermined axial z-displacement (Δz) ( 26 ) are compared; and depending on this comparison, a z-correction information is generated, on the basis of which the z-positions of the point objects determined in dependence on the assignment information ( 26 ) Getting corrected. Lichtmikroskopisches Einrichtung (10) zur Lokalisierung von Punktobjekten (26) in einer Probe, mit einer Abbildungsoptik (12), die in einem Objektraum einen Schärfentiefenbereich (18) vorbestimmter axialer z-Ausdehnung (t) längs ihrer optischen Achse (O) hat, einem Detektor (16), auf den die Abbildungsoptik (12) eine in dem Objektraum angeordnete Probe (14) abbildet; und eine Steuereinheit (20), die in der Probe (26) enthaltene Punktobjekte (26) innerhalb des Schärfentiefenbereichs (18) lokalisiert, indem sie auf Grundlage eines Probenbildes, das die Abbildungsoptik (12) auf dem Detektor (16) erzeugt, laterale x/y-Positionen der Punktobjekte (26) in Richtung senkrecht zur optischen Achse (O) ermittelt; dadurch gekennzeichnet, dass eine durch die Steuereinheit (20) angesteuerte Verstelleinheit (22) den Schärfentiefenbereich (18), innerhalb dessen die Punktobjekte (26) lokalisiert werden, in dem Objektraum relativ zur Probe (14) längs der optischen Achse (O) mindestens einmal um einen vorbestimmten axialen z-Verstellweg (∆z), der kleiner als die axiale Ausdehnung (t) des Schärfentiefenbereichs (18) ist, verschiebt und die Abbildungsoptik (12) bei axial verschobenem Schärfentiefenbereich (18) die Probe (14) erneut auf den Detektor (16) abbildet und ein weiteres Probenbild erzeugt; die Steuereinheit (20) auf Grundlage des weiteren Probenbildes erneut die lateralen x/y-Positionen der Punktobjekte (26) ermittelt; die Steuereinheit (20) laterale x/y-Positionsabweichungen zwischen den auf Grundlage der verschiedenen Probenbilder ermittelten lateralen x/y-Positionen der jeweils selben Punktobjekte (26) ermittelt; und die Steuereinheit (20) in Abhängigkeit der ermittelten lateralen x/y-Positionsabweichungen eine Korrekturinformation erzeugt, an Hand der die Steuereinheit (20) die lateralen x/y-Positionen der Punktobjekte (26), die auf Grundlage mindestens eines der verschiedenen Probenbilder ermittelten worden sind, korrigiert. Light microscopic device ( 10 ) for the localization of point objects ( 26 ) in a sample, with imaging optics ( 12 ), which in an object space has a depth of field ( 18 ) has predetermined axial z-dimension (t) along its optical axis (O), a detector ( 16 ) to which the imaging optics ( 12 ) a sample arranged in the object space ( 14 ) maps; and a control unit ( 20 ) in the sample ( 26 ) contained point objects ( 26 ) within the depth of field ( 18 ) based on a sample image, the imaging optics ( 12 ) on the detector ( 16 ), lateral x / y positions of the point objects ( 26 ) in the direction perpendicular to the optical axis (O); characterized in that one by the control unit ( 20 ) controlled adjusting unit ( 22 ) the depth of field ( 18 ) within which the point objects ( 26 ) in the object space relative to the sample ( 14 ) along the optical axis (O) at least once by a predetermined axial z-displacement (Δz) smaller than the axial extent (t) of the depth-of-field ( 18 ), and the imaging optics ( 12 ) with axially shifted depth of field ( 18 ) the sample ( 14 ) again on the detector ( 16 ) and generates another sample image; the control unit ( 20 ) again based on the further sample image, the lateral x / y positions of the point objects ( 26 ) determined; the control unit ( 20 ) lateral x / y-position deviations between the lateral x / y-positions of the respective same point objects, determined on the basis of the different sample images ( 26 ) determined; and the control unit ( 20 ) generates correction information in dependence on the determined lateral x / y position deviations, on the basis of which the control unit ( 20 ) the lateral x / y positions of the point objects ( 26 ) corrected based on at least one of the different sample images. Lichtmikroskopische Einrichtung (10) nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch einen Sensor (24) zum Erfassen des axialen z-Verstellwegs des Schärfentiefenbereichs (18). Light microscopic device ( 10 ) according to claim 14, characterized by a sensor ( 24 ) for detecting the axial z-displacement of the depth of field (FIG. 18 ).
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102017129519A1 (en) * 2017-12-12 2019-06-13 Technische Universität Ilmenau Arrangement and method for the simultaneous measurement of the fluorescence of individual layers, for example the ocular fundus
EP3382439A4 (en) * 2015-11-27 2019-12-11 Nikon Corporation Microscope, observation method, and image processing program
DE102018132875A1 (en) * 2018-12-19 2020-06-25 Abberior Instruments Gmbh Fluorescence light microscopy with increased axial resolution

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102013016368B4 (en) * 2013-09-30 2024-05-16 Carl Zeiss Microscopy Gmbh Light microscope and microscopy method for examining a microscopic sample
LU92620B1 (en) * 2014-12-19 2016-06-20 Leica Microsystems GRID MICROSCOPE
EP3538941A4 (en) 2016-11-10 2020-06-17 The Trustees of Columbia University in the City of New York Rapid high-resolution imaging methods for large samples
DE102017104736B9 (en) * 2017-03-07 2020-06-25 MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. Method and device for the spatial measurement of nanoscale structures
JP6932036B2 (en) * 2017-07-31 2021-09-08 シスメックス株式会社 Cell imaging method, cell imaging device, particle imaging method and particle imaging device
CN111382592B (en) * 2018-12-27 2023-09-29 杭州海康威视数字技术股份有限公司 Living body detection method and apparatus

Citations (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DD154643A1 (en) * 1980-11-20 1982-04-07 Peter Schwensow APPARATUS FOR MICROSCOPIC OBSERVATION WITH ADVANCED SHARP HEAD RANGE
DD261224A1 (en) * 1985-04-29 1988-10-19 Univ Berlin Humboldt METHOD FOR THE DEEP-SHARP PICTURE OF ROOMED OBJECTS
DE69115914T2 (en) * 1990-08-31 1996-05-30 Commw Scient Ind Res Org INTERFERENCE MICROSCOPE
WO1996023240A1 (en) * 1995-01-27 1996-08-01 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Process and device for imaging an object
EP0244640B1 (en) * 1986-04-09 1998-09-09 Firma Carl Zeiss Light-modulating microscope using deconvolution
DE10039520A1 (en) * 2000-08-08 2002-02-21 Leica Microsystems Device for examining and manipulating microscopic objects
DE10257423A1 (en) * 2002-12-09 2004-06-24 Europäisches Laboratorium für Molekularbiologie (EMBL) Microscope used in molecular biology comprises a focussing arrangement producing an extended planar object illumination region, a detection device, and a movement arrangement
WO2006127692A2 (en) 2005-05-23 2006-11-30 Hess Harald F Optical microscopy with phototransformable optical labels
DE102006021317B3 (en) 2006-05-06 2007-10-11 MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. Sample`s interesting structure spatial high-resolution imaging method, involves adjusting intensity of signal such that ten percentage of molecules of substance have specific distance to adjacent molecules
DE60132656T2 (en) * 2000-02-09 2008-05-21 Affymetrix, Inc., Santa Clara QUANTIFIED FLUORESCENCE MICROSCOPY
WO2008091296A2 (en) 2006-08-07 2008-07-31 President And Fellows Of Harvard College Sub-diffraction limit image resolution and other imaging techniques
US20090242798A1 (en) * 2008-04-01 2009-10-01 The Jackson Laboratory 3D Biplane Microscopy
DE102008024568A1 (en) 2008-05-21 2009-12-03 MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. Spatial resolution imaging of structure of interest in specimen involves marking specimen structure, imaging the specimen, exposing the specimen to light, registering the fluorescent light and determining position of molecules of substance
US7675045B1 (en) * 2008-10-09 2010-03-09 Los Alamos National Security, Llc 3-dimensional imaging at nanometer resolutions
US20100283835A1 (en) * 2007-01-11 2010-11-11 Joerg Bewersdorf Microscopic imaging techniques
DE102009043744A1 (en) * 2009-09-30 2011-03-31 Carl Zeiss Microlmaging Gmbh Method and microscope for three-dimensional resolution-enhanced microscopy
DE102010044013A1 (en) * 2010-11-16 2012-05-16 Carl Zeiss Microimaging Gmbh Depth resolution enhanced microscopy
DE102011055294A1 (en) * 2011-11-11 2013-05-16 Leica Microsystems Cms Gmbh Microscopic device and method for the three-dimensional localization of punctiform objects in a sample
DE102012200344A1 (en) * 2012-01-11 2013-07-11 Carl Zeiss Microscopy Gmbh Microscope system and method for 3-D high-resolution microscopy
DE102012201003A1 (en) * 2012-01-24 2013-07-25 Carl Zeiss Microscopy Gmbh Microscope and method for high-resolution 3-D fluorescence microscopy

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8005314B2 (en) * 2005-12-09 2011-08-23 Amnis Corporation Extended depth of field imaging for high speed object analysis
JP2000251823A (en) * 1999-02-25 2000-09-14 Jeol Ltd Sample inclination observing method in scanning charged particle beam system
JP4103302B2 (en) 2000-05-15 2008-06-18 株式会社日立製作所 Electrophoresis apparatus using capillary array and sample plate assembly used therefor
US7639419B2 (en) * 2003-02-21 2009-12-29 Kla-Tencor Technologies, Inc. Inspection system using small catadioptric objective
JP4600395B2 (en) * 2004-09-22 2010-12-15 株式会社ニコン Microscope system and image processing method
JP4812443B2 (en) * 2006-01-27 2011-11-09 オリンパス株式会社 Scanning confocal laser microscope
US8564792B2 (en) 2007-12-21 2013-10-22 President And Fellows Of Harvard College Sub-diffraction limit image resolution in three dimensions
WO2009115108A1 (en) 2008-03-19 2009-09-24 Ruprecht-Karls-Universität Heidelberg A method and an apparatus for localization of single dye molecules in the fluorescent microscopy
US8693742B2 (en) 2008-12-17 2014-04-08 The Regents Of The University Of Colorado Three-dimensional single-molecule fluorescence imaging beyond the diffraction limit using a double-helix point spread function
US8620065B2 (en) * 2010-04-09 2013-12-31 The Regents Of The University Of Colorado Methods and systems for three dimensional optical imaging, sensing, particle localization and manipulation
DE102010017630B4 (en) * 2010-06-29 2016-06-02 Leica Microsystems Cms Gmbh Method and device for light microscopic imaging of a sample structure
DE102010036709A1 (en) 2010-07-28 2012-02-02 Leica Microsystems Cms Gmbh Device and method for microscopic image acquisition of a sample structure

Patent Citations (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DD154643A1 (en) * 1980-11-20 1982-04-07 Peter Schwensow APPARATUS FOR MICROSCOPIC OBSERVATION WITH ADVANCED SHARP HEAD RANGE
DD261224A1 (en) * 1985-04-29 1988-10-19 Univ Berlin Humboldt METHOD FOR THE DEEP-SHARP PICTURE OF ROOMED OBJECTS
EP0244640B1 (en) * 1986-04-09 1998-09-09 Firma Carl Zeiss Light-modulating microscope using deconvolution
DE69115914T2 (en) * 1990-08-31 1996-05-30 Commw Scient Ind Res Org INTERFERENCE MICROSCOPE
WO1996023240A1 (en) * 1995-01-27 1996-08-01 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Process and device for imaging an object
DE60132656T2 (en) * 2000-02-09 2008-05-21 Affymetrix, Inc., Santa Clara QUANTIFIED FLUORESCENCE MICROSCOPY
DE10039520A1 (en) * 2000-08-08 2002-02-21 Leica Microsystems Device for examining and manipulating microscopic objects
DE10257423A1 (en) * 2002-12-09 2004-06-24 Europäisches Laboratorium für Molekularbiologie (EMBL) Microscope used in molecular biology comprises a focussing arrangement producing an extended planar object illumination region, a detection device, and a movement arrangement
WO2006127692A2 (en) 2005-05-23 2006-11-30 Hess Harald F Optical microscopy with phototransformable optical labels
DE102006021317B3 (en) 2006-05-06 2007-10-11 MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. Sample`s interesting structure spatial high-resolution imaging method, involves adjusting intensity of signal such that ten percentage of molecules of substance have specific distance to adjacent molecules
WO2007128434A1 (en) 2006-05-06 2007-11-15 MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. Method and fluorescent light microscope for the high-resolution three-dimensional representation of the structure of a specimen
US20090134342A1 (en) 2006-05-06 2009-05-28 Stefan Hell High spatial resolution imaging of a structure of interest in a specimen
WO2008091296A2 (en) 2006-08-07 2008-07-31 President And Fellows Of Harvard College Sub-diffraction limit image resolution and other imaging techniques
US20100283835A1 (en) * 2007-01-11 2010-11-11 Joerg Bewersdorf Microscopic imaging techniques
US20090242798A1 (en) * 2008-04-01 2009-10-01 The Jackson Laboratory 3D Biplane Microscopy
DE102008024568A1 (en) 2008-05-21 2009-12-03 MAX-PLANCK-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V. Spatial resolution imaging of structure of interest in specimen involves marking specimen structure, imaging the specimen, exposing the specimen to light, registering the fluorescent light and determining position of molecules of substance
US7675045B1 (en) * 2008-10-09 2010-03-09 Los Alamos National Security, Llc 3-dimensional imaging at nanometer resolutions
DE102009043744A1 (en) * 2009-09-30 2011-03-31 Carl Zeiss Microlmaging Gmbh Method and microscope for three-dimensional resolution-enhanced microscopy
DE102010044013A1 (en) * 2010-11-16 2012-05-16 Carl Zeiss Microimaging Gmbh Depth resolution enhanced microscopy
DE102011055294A1 (en) * 2011-11-11 2013-05-16 Leica Microsystems Cms Gmbh Microscopic device and method for the three-dimensional localization of punctiform objects in a sample
DE102012200344A1 (en) * 2012-01-11 2013-07-11 Carl Zeiss Microscopy Gmbh Microscope system and method for 3-D high-resolution microscopy
DE102012201003A1 (en) * 2012-01-24 2013-07-25 Carl Zeiss Microscopy Gmbh Microscope and method for high-resolution 3-D fluorescence microscopy

Non-Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Astigmatismusverfahren" (die oben genannten Dokumente Kajo et al., Holtzer et al. und Huang et al.), "Bi-Plane-Verfahren" (vgl. Toprak et al. und Juette et al.) und "Doppelhelixverfahren" (vgl. Pavani et al.)
"Particle-Tracking"-Experimenten bekannten, wie sie in Kajo et. al., 1994, Biophysical Journal, 67, Holtzer et. al., 2007, Applied Physics Letters, 90 und Toprak et al., 2007, Nano Letters, 7(7) beschrieben sind. Sie wurden auch schon in bildgebenden Verfahren angewandt, die auf dem oben beschriebenen Schalten und Lokalisieren von Einzelmolekülen basieren. Hierzu wird auf Huang et al, 2008, Science, 319 und Juette et al., 2008, Nature Methods, verwiesen. Zum Stand der Technik wird ferner auf Pavani et al., 2009, PNAS, 106
"Resolution of Lambda/10 in fluorescence microscopy using fast single molecule photo-switching", Geisler C. et al, Appl. Phys. A, 88, 223-226 (2007)
"Sub-diffraction-limit imaging by stochastic optical reconstruction microscopy (STORM)", Nature Methods 3, 793-796 (2006), M. J. Rust, M. Bates, X. Zhuang
Geisler, C. [u.a.]: Resolution of Lambda / 10 in fluorescence microscopy using fast single molecule photo-switching. In: Appl. Phys. A, Vol. 88, 2007, S. 223 - 226 *
Holtzer [u.a.], Appl. Phys. Lett., Vol. 90, 2007 *
Huang [u.a.], Science, Vol. 319, 2008 *
Juette [u.a.], Nature Methods, 2008 *
Kao, [u.a.], In: Biophysical Journal, Vol. 67, 1994 *
Pavani [u.a.], PNAS, Vol. 106, 2009 *
Rust, M. J.; Bates, M.; Zhuang, X.: Sub-diffraction-limit imaging by stochastic optical reconstruction mircroscopy (STORM). In: Nature Meth., Vol. 3, 2006, S. 793 - 796 *
Toprak [u.a.], Nano Letters, Vol. 7, No. 7, 2007 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3382439A4 (en) * 2015-11-27 2019-12-11 Nikon Corporation Microscope, observation method, and image processing program
US10725278B2 (en) 2015-11-27 2020-07-28 Nikon Corporation Microscope, observation method, and storage medium
DE102017129519A1 (en) * 2017-12-12 2019-06-13 Technische Universität Ilmenau Arrangement and method for the simultaneous measurement of the fluorescence of individual layers, for example the ocular fundus
DE102017129519B4 (en) * 2017-12-12 2020-08-06 Technische Universität Ilmenau Arrangement and method for the simultaneous measurement of the fluorescence of individual layers in a layer system, for example the fundus
DE102018132875A1 (en) * 2018-12-19 2020-06-25 Abberior Instruments Gmbh Fluorescence light microscopy with increased axial resolution

Also Published As

Publication number Publication date
JP6714508B2 (en) 2020-06-24
US20160370570A1 (en) 2016-12-22
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